CN100407333C - 非直角磁性随机存取存储器装置 - Google Patents

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Abstract

一种非直角磁性随机存取存储器装置，其包含：多个第一导线；多个第一内存储存单元，每个所述内存储存单元包含具有一磁性材料特性的一磁性堆栈；以及多个第二导线，设置在所述内存储存单元上，所述非直角磁性随机存取存储器装置的所述第一与所述第二导线彼此间以一个非直角的角度设置，所述角度在大于0度至小于90度的范围内，其中所述内存储存单元在所述第一导线与所述第二导线的平面内具有一长方形横切面，覆盖所述这些磁性堆栈的第二导线的第一部分，其与所述第一导线成直角设置，其中在所述第二导线的第一部分之间延伸的第二导线的第二部分与所述第一导线成非直角设置，该非直角在大于0度至小于90度的范围内。

Description

非直角磁性随机存取存储器装置
技术领域
本申请是有关一般的半导体组件的建构，特别是，一种磁性随机存取存储器(magnetic random access memory，MRAM)组件。
发明背景
半导体用于集成电路以应用在电子上，包括，例如收音机、电话、行动电话与个人计算机装置等。半导体装置的一种形式为一半导体储存装置，例如，一种动态随机存取装置(DRAM)与一种闪存，使用一种电子电荷来储存信息。
内存装置最近的发展为牵涉到自旋电子学(spinelectronics)，其结合半导体技术与磁学。一个电子的旋转，而不是电荷，被用来指示“1”或“0”的存在，一种此类的自旋电子装置为一磁性随机存取存储器(MRAM)，包含导线，是垂直于其它导线而设置在不同金属层中，该导线把一磁性堆栈夹在中间，导线相交的地方称为一交叉点。经由其中一个导线的电流产生一个在导线周围的磁场与将磁极定向在沿着接线或是导线的特定的方向上，经由其它导线的电流会引发磁场并且也可以部分旋转该磁极。数字信息，以“1”或“0”表现，是可储存在磁距的校正上，磁性组成的电阻是依据磁距的校正。储存的资料通过检测组成分的阻抗状况而从组件中读取，一个内存单元可经由在具有行与列的矩阵结构中设置导线与交叉点而被建构。
与传统的半导体装置，例如动态随机存取存储器(DRAM)，相比较，磁性随机存取存储器(MRAMs)的优点为非易失性(non-volatile)。例如，利用磁性随机存取存储器(MRAM)的一个人计算机(PC)将不会有与利用动态随机存取存储器(DRAM)的传统个人计算机一样长的“激活”时间。同样地，磁性随机存取存储器(MRAM)不需要被通电(powered up)并且具有“记住”储存资料的能力。
现今，磁性随机存取存储器(MRAM)设计的优点是需要大量的电流来转换单元，意即必须通过位线与字线的电流量是高的，因此，需要使用大量的电力。
在此技术领域中所需要的是一种需要较少电流与电力以转换内存单元的阻抗状态或是逻辑状态的磁性随机存取存储器(MRAM)的设计。
发明内容
本申请所达成的技术上的优点为非直角的磁性随机存取存储器(MRAM)装置比现有的磁性随机存取存储器(MRAMs)需要较少电流与电力来对内存单元的逻辑状态进行充电。位线与字线彼此形成非直角，那就是，除了90度以外的角度，较佳的范围是从稍微大于0至小于90度。
本申请所披露的一种半导体内存装置包含至少一个第一导线、至少一个内存储存单元，是设置于该第一导线之上，以及至少一个第二导线，是设置于该第一导线之上。此第二导线与该第一导线成非直角而被设置，以及此内存储存单元具有基于一星状曲线(asteroid-shaped curve)的材料特性。
本申请亦披露一种磁性随机存取存储器(MRAM)装置，包含复数个第一导线、位于该第一导线之上的第二导线且其被设置与该第一导线成除了90度以外的角度，以及复数个的内存储存单元，其设置是邻近于第一与第二导线并且位于两者之间。
本申请另外披露一种设计磁性随机存取存储器(MRAM)装置的程序的方法，包含经由第一导线发送一第一电流，其中该第一电流于该第一导线周围产生一第一电磁场，以及经由第二电流发送一第二电流，其中该第二电流于该第二导线周围产生一第二电磁场，其中该第二电场是不同于该第一电场。
本申请的优点包含降低在一字线及/或一位线中转换储存在内存单元的电荷所需要的电流量，而降低电流可节省内存装置的电力。由于电子迁移现象所导致内存装置的损害与减少的寿命，也可经由在字线与位线较低电流的使用而减轻。
图标说明
本申请以上所述的特征将可由以下的实施例说明与参考图标的特征而得到充分了解。
图1：显示现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置的透视图，其具有垂直于位线的字线；
图2与图3：显示现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置的俯视图，其具有垂直于位线的字线；
图4：显示表示使用在一现有磁性随机存取存储器(MRAM)装置的磁性材料的磁滞现象特性的星状曲线；
图5a与图5b：显示本申请较佳实施例的布局(layouts)的俯视图；
图6a和图6b：显示本申请较佳实施例中具有不同方向比例(aspect ratio)以及字线与位线形成非直角的角度的俯视图；
图7：显示依照本申请的星状曲线；
图8：显示现在的磁性随机存取存储器(MRAM)装置的一个实施例的透视图；
图9：显示现在的磁性随机存取存储器(MRAM)装置的一个实施例的横向剖面图；以及
图10：显示根据本申请的具有设置在非直角导线间的两个或更多磁性堆栈的磁性随机存取存储器(MRAM)装置。
在不同的图标中，对应的数字与符号是与对应的部分相关联，除非用别的方式来表示，所绘制的图标是用来清楚的说明本申请较佳实施例有关的观点且并非必须按比例来绘制。
具体实施方式
以下将经由一些较佳实施例与一些本申请的优点来讨论现有的直角随机存取存储器(MRAM)设计。
图1是显示一个现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置10的透视图，其具有被设置与位线22成直角的字线12，意即字线12与位线22的角度为垂直的或者是等于90度。一个磁性堆栈14被设置在邻近字线12与位线22且在两者之间，磁性堆栈14包含，例如，一软的层16、一隧道层或通道连接18以及一硬的层20。如上所述，经由发送穿越字线12与位线22的电流，一个逻辑状态是可储存在磁性堆栈中的磁距的校正中。
图2是显示现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置的俯视图，其中字线是以一90度的角度24垂直于位线22，并显示具有一方向比例为1∶1的一通道连接(TJ)18。图3是显示另一个现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置，其中字线垂直于位线22，以及具有一方向比例为2∶1的一通道连接(TJ)18。
图4是显示代表磁性堆栈14内存单元材料的磁滞现象特性之一星状曲线30以及显示寻址一磁性随机存取存储器(MRAM)内存装置现有的方法。Hx轴代表由一位线22所产生的一电磁场，其是藉由使一电流流经位线22而产生，此电磁场的产生是符合电磁的“右手定律”。同样的，Hy轴代表由一字线12所产生的一电磁场，其是藉由使一电流流经字线12而产生。沿着Hy轴的向量32代表由一正与负电流所产生的电磁场，其分别地流经一位线22以写入一逻辑的“0”或是“1”至一内存单元(磁性堆栈14)中。由现有的星状30所示，字线电流由向量32保持是正的来表示，并且常常做为一激活的电流。
为了转换内存单元的有抵抗的状态或是逻辑的状态，经由向量34与向量32相加所得的向量36代表由字线与位线电流所产生的两个电场的叠置(superposition)，必须达到在第1象限中在星状曲线30上的一点。例如，为了写入一逻辑的“0”至一磁性堆栈14中，一个电流产生由向量34所表示的一电磁场，是经由位线22而运转，并且一个电流产生由向量32所表示的一电磁场，是经由字线12而运转。组合向量36完全地达到星状曲线30，此向量36表示最小的电磁场(与相关联的电流)必须被提供在字线12与位线22上以转换单元14。同样地，为了写入一逻辑的“1”至一内存单元14中，一个电流产生沿着Hx轴的向量38所表示的一电磁场，是经由位线22而运转，并且一个电流产生由沿着Hy轴的向量32所表示的一电磁场，是经由字线12而运转，并产生一组合向量40，其达到在第二象限中的星状曲线30。现有技术中，由向量32与向量34所表示的电磁场具有相等的振幅。
在星状曲线30中所示，向量34与向量32是以彼此垂直的方式设置。因为现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置10的字线12与位线22以彼此垂直的方式运转，所以由此等向量所表示的电磁场是成直角。使字线12垂直于位线22的方式运转的问题是用来转换内存单元所必须提供的电流常常极高，例如5到10毫安，因此磁性随机存取存储器(MRAM)装置10需要大量的电力。再者，因为字线12与位线22常常非常的小，例如，0.1μm宽，电子迁移现象是一个问题。字线12与位线22的金属化材料可自流经他们的高电流迁移，其可导致在特定位置的金属的累积并且产生在字线12与位线22的短路或是断开。
本申请解决了在现有技术领域中为了转换内存单元14的逻辑状态需要高电流与电力的问题，图5a显示本申请的布局的一个实施例，字线112是以与位线122成非直角的方式设置，以俯视图显示的。较佳地，角度124是除了90度以外的一个角度，例如，在大约0度与大约小于90度之间，例如，如图所示的大约60度的角度。所显示的角度124是为在一字线112的中线126与一位线122的中线128之间的角度，如一个实例，角度124的范围可从10至80度。
图5a所显示的实例中，磁性堆栈114的通道连接118较佳具有一方向比例是在1∶2与1∶3之间。如所示，该磁性堆栈114其形状较佳是一长方形。再者，所显示的实例具有的字线112并无从字线到字线的交错，例如，在中间字线112中的通道连接118的右边缘162并没有与一邻近的通道连接118的左边缘166重叠或交错，其中该邻近的通道连接118是位于较低字线112之中。图5a中118B表示“第二导线垂直部分”，118A表示“第二导线非垂直部分”。
图5b显示一磁性随机存取存储器(MRAM)装置200的另一实施例，其具有的字线212是以与位线222成非垂直地设置，如以小于90度的一角度224呈现。在此实例中，所显示的通道连接218具有一不规则四边形的形状。然而，图5a所显示的长方形通道连接是本申请实施例中较佳的通道连接形状。
图6a与图6b显示本申请另一个实施例，其具有不同的方向比例与非直角的角度324与角度424，通道连接318/418的大小与方向比例会影响角度324与角度424。图6a显示通道连接318的方向比例为1∶2的一个实施例，此导致一降低的非直角的角度324，同时也导致通道连接318的交错。通道连接的“交错”术语于此是被用来指出此通道连接318正被转移至即将发生的字线中的通道连接318，此通道连接318的交错可经由观察在中间的字线112中的通道连接318的右边缘364并对照在底部字线中的通道连接318的左边缘366而可说明的，此中间通道连接的右边缘364是与中间通道连接318的左边缘366部分重叠。
图6b是显示根据本申请之一磁性随机存取存储器(MRAM)装置400，其中通道连接418的方向比例为1∶2，此导致一甚至更低的，例如比在图6b中的角度324更小，非直角的角度424，同时也导致通道连接418的列甚至更多的交错。通道连接418的交错或部分重叠可藉由检查中间字线412的通道连接418的右边缘462与较低的字线412的中间通道连接418的左边缘466对照而得以观察。
图7显示一星状曲线130与由流经非直角字线112/212/312/412与位线122/222/322/422的电流所产生的向量，并阐明寻址一个根据本申请的内存装置较佳的方法。为了写入一个逻辑的“1”至根据本申请的一个非直角磁性随机存取存储器(MRAM)装置100，使一正电流流经一字线112，以向量132表示，一负电流流经一位线122，以向量142表示，并显示一组合向量144达到在第二象限的星状曲线。再次参照图4所示的已知的星状曲线30，需注意的是，用来转换非直角磁性随机存取存储器(MRAM)单元100至一逻辑的“1”所需的电流量较小，例如在图7中的9毫安相对于图4中的11毫安，此可由与已知的向量28相比，位线向量143具有较小的数值而可观察到。
再次参照图7，同样地，用来转换一非直角磁性随机存取存储器(MRAM)100的内存单元至一逻辑的“0”所需的电流量较小，一负电流，以向量148表示，流经一字线112，以及一正电流，以向量146表示，流经一位线122。如所示，第四象限的组合向量150达到星状曲线130。再次比较图7的向量146与图4的向量32，很明显的，转换非直角磁性随机存取存储器(MRAM)100至一逻辑的“0”所需要在位线122上的电流量较小。当使用较小的电流，对内存单元118的逻辑状态充电时，内存装置100所消耗的电力较少。
在图7的星状曲线中亦显示使用位线与字线电流的能力，而电流可产生不同的电磁场用以设计一内存单元，例如，以向量142表示的电磁场不同于以向量132表示的电磁场，如向量142比向量132为小。
注意在图7中，需要一个负的字线电流148来改变内存单元的逻辑状态成为“0”。这是不困难的，因为在现有的磁性随机存取存储器(MRAM)装置10中，因不断地使电流流经导线，在导线中铜与其它导电金属可能的累积，周期性地，使字线电流被反向以减轻电子迁移现象的影响。例如，在先前技术中，字线电流可以每秒转换或每秒写入的方式而被反向。
图8显示根据本申请的非直角磁性随机存取存储器(MRAM)装置100的透视图，以及图9显示现在的磁性随机存取存储器(MRAM)装置100的横向剖面图。
接下来将说明根据本申请来制造非直角磁性随机存取存储器(MRAM)装置100/200/300/400的方法流程，是参照图9。
提供一工作部件111，典型地是包含在一单晶硅上的氧化硅，并未显示，此工作部件亦可包含其它的导电层或是其它的半导体组件，例如，晶体管、二极管、通孔等。例如，化合物半导体如砷化镓、磷化铟、硅/锗与碳化硅可被用来取代硅。
一介电层111被沉积在工作部件之上，此介电层111可包含氧化硅并且亦可包含一低介电常数材料或者是其它的介电材料。其它适合的介电的例子包括例如，丝TM、添加氟素的硅玻璃与FoxTM。而介电层113可包含，例如，几个介电材料的层，并未显示。
第一导线112被形成在工作部件之上而在介电层113的内，第一导线112较佳是包含铜、铝、其化合物、或是其它的金属，第一导线112可被形成在一第二金属化层(M2)内，例如，然而第一导线112可被形成在其它的金属化层内。
磁性堆栈114被形成在导线112之上，其包含一底部金属堆栈120、一通道连接118与一顶端金属堆栈116。底部金属堆栈120，在已知技术中为一硬的层，是被沉积在第一字线112之上。底部金属堆栈120较佳是包含复数个金属层，其包含锰化铂、铁化钴、钌与铁化镍，例如，然而亦可使用其它适合的磁性材料与金属层的形式。一般使用4到8层在底部金属堆栈120，不同的技术，例如物理汽相沉积(PVD)、离子束溅镀(ion beam sputtering)、蒸镀与化学汽相沉积(CVD)，可被用来沉积底部金属堆栈140的磁性层。因为每个层非常的薄，例如，大部分的层是＜100埃，这些层最好是以物理汽相沉积(PVD)来沉积。且底部金属层140的厚度较佳是在200至400埃之间。
磁性堆栈114也包含一薄介电层118，通常是被归成如隧道层或是通道连接，其被沉积在底部金属堆栈120之上。通道连接118较佳可包含，例如，氧化铝(Al2O3)，其厚度最好是在10-15埃之间。
磁性堆栈114也包含一顶端金属层116，通常是被归为一软的层，被沉积在绝缘层118之上。顶端金属层116包含例如复数个磁性层并且可包含使用在形成底部金属层120的类似方法与类似的材料。磁性层116的总厚度可为，例如，500埃。
第二导线122被形成在磁性堆栈114与第一导线112之上并以与第一导线112成一非直角与非垂直的角度而形成。第一导线112与第二导线122作用为磁性随机存取存储器(MRAM)数组的位线或字线，第二导线122可被形成在一第三金属化(M3)层的内，例如，然而第二导线122亦可被形成在其它的金属化层内，然后进行随后的处理步骤。
本申请所达成技术上的优点为一非直角磁性随机存取存储器(MRAM)装置100/200/300/400，其所需要流经字线112/212/312/412及/或位线122/222/322/422以转换内存单元114/214/314/414的逻辑状态的电流较少，因此，写至磁性随机存取存储器(MRAM)装置所需的电力也因而较少并且可降低字线与位线的电子迁移现象。所以，本申请提供一种比现有的磁性随机存取存储器(MRAMs)更坚固耐用且具有较长寿命的磁性随机存取存储器(MRAM)装置。
本申请于此已描述在一磁性随机存取存储器(MRAM)装置首先的使用方式，然而，非直角的第一与第二导线，在与任何具有以一磁滞回线(hysteresis loop)或是星状曲线为基础的材料特性的内存储存单元一起使用时，也是有帮助的。复数个磁性堆栈514包含通道连接TJ2(518)，其可被沉积在位线22之上且在位线22与可包含非直角的字线512及/或位线的另外的金属化层(M3)之间，如根据本申请的第10图所示。
本申请已经以说明性的实施例来说明，然此说明并非打算被建构在一限制的型态，本申请得由熟悉此技艺的人任施匠思而为诸般修饰，再者，本申请中的程序步骤次序可由熟悉此技艺的人加以重新排列，但仍然在本申请的范围的内，因而任何的修饰或实施例皆不脱如附申请范围所欲保护者。此外，本申请的保护范围并不被限定在说明书中所述的程序、机器、制造、物质组成、工具、方法与步骤等的特定实施例。同样地，所附的申请专利范围打算包含此等的程序、机器、制造、物质组成、工具、方法与步骤的范围。

Claims (6)

1.一种非直角磁性随机存取内存装置，其包含：
多个第一导线；
多个第一内存储存单元，每个所述内存储存单元包含具有一磁性材料特性的一磁性堆栈；以及
多个第二导线，设置在所述内存储存单元上，
所述非直角磁性随机存取内存装置的所述第一与所述第二导线彼此间以一个非直角的角度设置，所述角度在大于0度至小于90度的范围内，
其中所述内存储存单元在所述第一导线与所述第二导线的平面内具有一长方形横切面，
其特征在于
覆盖所述这些磁性堆栈的第二导线的第一部分，其与所述第一导线成直角设置，其中在所述第二导线的第一部分之间延伸的第二导线的第二部分与所述第一导线成非直角设置，该非直角在大于0度至小于90度的范围内。
2.如权利要求第1项所述的装置，其中所述第一导线与所述第二导线的第二部分所形成的角度是介于10与80之间。
3.如权利要求第1项或第2项所述的装置，其中每个所述磁性堆栈包含一通道连接。
4.如权利要求第1项与第2项中其中一项所述的装置，其中所述第一导线字线以及所述第二导线是字线与位线。
5.如权利要求第3项所述的装置，其中所述第一导线以及所述第二导线是字线与位线，以及储存在每个所述通道连接中的一逻辑状态可经由改变流经所述字线的一电流与改变流经所述位线的一电流而被转换。
6.如权利要求第3项所述的装置，其中所述磁性堆栈的磁性材料特性经由一星状曲线而被定义，其指出藉由在第一与第二导线中相关的电流而被提供的最小电磁场，以转换储存在所述磁性堆栈的所述通道连接中的一逻辑状态。
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